DE10229000A1

DE10229000A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Reduzieren der Oxidation von polierten Metalloberflächen in einem chemisch-mechanischen Poliervorgang

Info

Publication number: DE10229000A1
Application number: DE10229000A
Authority: DE
Inventors: Axel Preusse; Gerd Marxsen; Johannes Groschopf
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: GlobalFoundries Inc
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2004-01-29
Also published as: US20040009670A1

Abstract

Während des Prozessierens eines Substrats in einer Halbleiterherstellungslinie in CMP-bezogenen Prozessschritten wird ein inertes Gas, etwa Stickstoff, dem Substrat zugeführt, um eine das Substrat umgebende Gasatmosphäre zu schaffen, wodurch die Konzentration von Sauerstoff und/oder Schwefeldioxid deutlich verringert wird. Herkömmlicherweise werden diese Prozesse in einer offenen Atmosphäre durchgeführt, so dass insbesondere bei der Verarbeitung von Kupfer enthaltenden Substraten ein hohes Maß an Korrosion und Verfärbung entstehen kann. Durch Verringern des Sauerstoff- und/oder Schwefeldioxidanteils während dieser "nassen" Prozesse, wird das Gleichgewicht der beteiligten chemischen Reaktion entsprechend so verschoben, dass der Gehalt an Korrosion deutlich verringert werden kann.

Description

GEBIET DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere das chemisch-mechanische Polieren (CMP) von Substraten und Prozesse, die damit verknüpft sind.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Die Materialien, die in Mehrschicht-Verbindungsverfahren für integrierte Schaltungen verwendet werden, sind dünne Schichten aus Leitern und dünne Schichten aus Isolatoren. Um leitfähige dünne Schichten herzustellen, werden häufig Aluminium (AI) und Aluminiumlegierungen in Verbindung mit Siliciumdioxid (SiO₂) als Isolator verwendet. Um die Bauteilleistungsfähigkeit hinsichtlich der Signalausbreitungsverzögerung und dem Stromverbrauch einer integrierten Schaltung weiterhin zu verbessern, wird heutzutage zunehmend Aluminium durch Kupfer aufgrund dessen deutlich höherer Leitfähigkeit und der erhöhten Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektromigration ersetzt. Gegenwärtig wird das sogenannte Damaszener-Verfahren vorzugsweise bei der Herstellung von Kupfermetallisierungsschichten in technisch fortschrittlichen integrierten Schaltungen angewendet. In dem Damaszener-Verfahren wird ein dielektrisches Material, beispielsweise Siliciumdioxid, so strukturiert, um Gräben und Kontaktlöcher zu bilden, die anschließend mit Kupfer gefüllt werden – vorzugsweise in einem Galvanisierungsprozess, da Kupfer nicht besonders effizient mit der erforderlichen Dicke durch chemische oder physikalische Dampfabscheidung aufgebracht werden kann. Da die Gräben zuverlässig mit Kupfer gefüllt werden müssen, ist ein gewisses Maß an "zusätzlicher Galvanisierung" erforderlich. Daher muss das überschüssige Kupfer von dem dielektrischen Material in einem weiteren Prozessschritt entfernt werden. Das chemisch-mechanische Polieren (CMP) hat sich als eine zuverlässige Möglichkeit erwiesen und ist gegenwärtig das bevorzugte Verfahren, um das überschüssige Kupfer zu entfernen und gleichzeitig die Oberfläche für die weitere Bearbeitung des Substrats einzuebnen.
Im allgemeinen wird beim chemisch-mechanischen Polieren eines Substrats ein Material, etwa ein Metall, mittels Schleifpartikeln in Verbindung mit einem oder mehreren chemischen Mitteln, die eine chemische Reaktion mit dem zu entfernenden Material bewirken, abgetragen. Typischerweise werden die Schleifpartikel und das bzw. die chemischen Mittel in einer wässrigen Lösung in Form einer Schleifmittellösung bereitgestellt, die auf ein Polierkissen aufgebracht wird. Da relativ aggressive chemische Mittel im allgemeinen verwendet werden, um in effizienter Weise Überschussmetall zu entfernen, kann die Metalloberfläche der leitenden Kupferstrukturen, beispielsweise von Metallleitungen und Kontakten, einer andauernden chemischen Reaktion nach Abschluss des Poliervorganges insbesondere bei Anwesenheit von reaktiven Komponenten, etwa von Sauerstoff und Schwefeldioxid, unterworfen sein, wodurch möglicherweise die Qualität der Metallleitungen und Kontakte beeinträchtigt wird. Beispielsweise kann die Kupferoberfläche der polierten Metallleitungen und Kontaktöffnungen einfach mit Sauerstoff und Schwefeldioxid bei Vorhandensein von Wasser reagieren, das durch die wässrigen Schleifmittellösungen oder durch Spülwasser, das zur Entfernung der aggressiven chemischen Mittel erforderlich ist, zugeführt ist, um damit Korrosion und Verfärbungen zu bilden, wodurch die Zuverlässigkeit und auch der Durchsatz des Produktionsvorganges beeinträchtigt werden.
Daher besteht ein Bedarf für einen verbesserten CMP-Vorgang, der das Polieren der Metallschichten, insbesondere von Kupferschichten, ermöglicht, ohne in übermäßiger Weise die Oberflächenqualität des Metalls zu verschlechtern.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung richtet sich an eine neu verbesserte CMP-Sequenz mit Reinigungsschritten, die vor, während oder nach Beendigung des CMP-Prozesses ausgeführt werden, wobei die Wahrscheinlichkeit einer chemischen Reaktion einer freigelegten Metalloberfläche mit reaktiven Komponenten der umgebenden Atmosphäre, möglicherweise in Verbindung mit den während des Poliervorganges angewendeten Chemikalien, deutlich reduziert ist, indem eine im Wesentlichen inerte Gasatmosphäre erzeugt wird, die das Substrat umgibt.
Im hierin verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff "im Wesentlichen inerte Gasatmosphäre" eine Gasatmosphäre, die eine deutlich geringere Konzentration an Sauerstoff als die Umgebungsatmosphäre der CMP-Anlage, die typischerweise eine Reinraumatmosphäre ist, aufweist, wobei eine Sauerstoffkonzentration der im Wesentlichen inerten Gasatmosphäre mindestens 20% geringer als die der Umgebungsatmosphäre ist. Vorzugsweise ist die Gesamtmenge des Sauerstoff in der im Wesentlichen inerten Gasatmosphäre geringer als 10% und noch bevorzugter geringer als 1 %.
Gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Prozessanlage für chemisch-mechanisches Polieren eines Substrats eine Polierstation und eine Abdeckung, die die Polierstation umschließt, um ein inneres Volumen mit einer inneren Gasatmosphäre zu definieren, wobei die Abdeckung so ausgebildet ist, um im Wesentlichen einen Gasaustausch mit einer Umgebungsatmosphäre zu vermeiden.
Gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Prozessanlage eine CMP-Station und/oder eine Spülstation und/oder eine Trockenstation und/oder eine Aufbewahrungsstation und/oder einen Aufbewahrungstank für Chemikalien. Die Prozessanlage umfasst ferner ein Gaszuführungssystem, das so ausgebildet ist, um einen Strom aus inertem Gas zu der CMP-Station und/oder der Spülstation und/oder der Trockenstation und/oder der Aufbewahrungsstation und/oder dem Aufbewahrungstank für Chemikalien zuzuführen.
Gemäß einer noch weiteren anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bearbeiten eines Substrats während einer Prozesssequenz, die das chemisch-mechanische Polieren des Substrats mit einschließt, Bereitstellen einer Prozessanlage für einen mit dem CMP in Verbindung stehenden Prozessschritt. Anschließend wird eine Gasatmosphäre errichtet, die das Substrat umgibt, wobei die Gasatmosphäre eine geringere Sauerstoffkonzentration als eine Umgebungsatmosphäre, die die Prozessanlage umgibt, aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung näher hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird; es zeigen:
1 ein Pourbaix-Diagramm von Kupfer;
2 schematsch eine CMP-Station mit einer Abdeckung, die das Errichten einer im Wesentlichen inerten Gasatmosphäre entsprechend einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ermöglicht;
3 schematisch eine Prozessanlage mit einer CMP-Station, einer Reinigungsstation und einer Trockenstation gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
4a –4d schematisch Bereiche einer CMP-Station, in der ein Strom inerten Gases gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erzeugt wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie sie in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnung gezeigt sind, sollte es selbstverständlich sein, dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen offenbarten anschaulichen Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar, der Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
Mit Bezug zu 1 wird nun die Chemie einer Metalloberfläche, die in Kontakt mit Feuchtigkeit und natürlichen Gasen während und nach des Poliervorganges ist, detaillierter im Hinblick auf Kupfer beschrieben.
Die vorliegende Erfindung sollte jedoch nicht auf die Anwendung von Kupfer eingeschränkt betrachtet werden, sofern derartige Einschränkungen nicht ausdrücklich in den angefügten Patentansprüchen aufgeführt sind.
Bekanntlich wird Kupfer (Cu) in Luft oxidiert, um Kupfer(I)-oxid (Cu₂O) zu bilden. Bei Anwesenheit von Kohlendioxid (CO₂) kann Kupfer den sogenannten Grünspan (Kupfercarbonat) bilden. Bei Anwesenheit von Schwefeldioxid (SO₂), das in Luft vorhanden sein kann, kann Kupfer ein Sulfat bilden. Daher wird eine Kupferschicht auf einem Substrat höchstwahrscheinlich diversen Oxidationsprozessen, die Kupferionen (Cu⁺ oder Cu⁺⁺) als Teil einer Verbindung entsprechend den Beziehungen, die in Gleichung 1a gegeben sind, unterworfen. Diese Reaktionen finden vorzugsweise bei Anwesenheit von Sauerstoff und Wasser statt, die im Allgemeinen auch in der Umgebungsluft vorhanden sind.
O₂ + 2 H₂O + 4e^– → 4 OH^– Gleichung 1
2Cu → 2Cu²⁺ + 4e^– Gleichung 1a
2H⁺ + 2e^– → H₂ Gleichung 2.
Gleichung 1 zeigt die chemische Reaktion, die die sogenannte Sauerstoffkorrosion ergibt. Die Gleichung zeigt, dass Sauerstoff, der in Luft vorhanden ist oder in Wasser gelöst ist, zu einem Oxidationsprozess führt. Die in Gleichung 1 erforderlichen Elektronen werden beispielsweise durch den Prozess aus Gleichung 1a geliefert und Kupfer wird in Cu²⁺ übergeführt.
1 zeigt diese Situation deutlicher, in der das sogenannte Pourbaix-Diagramm von Kupfer dargestellt ist. Das Pourbaix-Diagramm zeigt die elektrochemischen Potentiale von Kupfer, seiner Oxide, Cu₂O und CuO, und des Kupferions (Cu⁺⁺) als eine Funktion des pH-Wertes. Das Diagramm zeigt vier verschiedene Bereiche, die als Cu, Cu₂O, CuO und Cu²⁺ bezeichnet sind. Die Bereiche sind durch Linien getrennt, die den Gleich gewichtszustand der Verbindungen der angrenzenden Bereiche darstellen. Der Gleichgewichtszustand kann zwischen zwei Verbindungen entlang einer Linie in dem Diagramm oder zwischen drei Verbindungen um eine Kreuzung von Linien herum, die unterschiedliche Paare von Verbindungen trennen, existieren. Die Redox-Potentiale der Sauerstoffreduzierung gemäß Gleichung 1 sind ebenfalls in dem Pourbaix-Diagramm aus 1 gezeigt. Die Redox-Potentiale der Sauerstoffreduktion sind über den gesamten pH-Bereich hinweg über dem Kupfer (Cu) Gleichgewicht, wo Cu₂O und CuO als Schutzschicht gebildet werden. Folglich wird bei Anwesenheit von Sauerstoff gemäß Gleichung 1 Kupfer (Cu) oxidiert, um Kupferoxid (CuO) oder Kupferionen (Cu++) abhängig von dem pH-Wert zu bilden.
Eine weitere mögliche Situation wird durch Gleichung 2 dargestellt und das entsprechende elektrochemische Potential dieser Gleichung ist ebenfalls in dem Pourbaix-Diagramm aus 1 dargestellt. Der Prozess entsprechend Gleichung 2 wird im Allgemeinen als Wasserstoffkorrosion bezeichnet, die durch Reduzieren von 2N⁺ zu N₂ stattfindet. Wie von den elektrochemischen Potentialen bekannt ist, ist Kupfer (Cu) edler als Wasserstoff. Diese Tatsache wird durch die Redox-Funktion aus Gleichung 2 in dem Pourbaix-Diagramm aus 1 dargestellt. Entlang dem gesamten pH-Bereich liegt die Redox-Potentialkurve gemäß Gleichung 2 innerhalb des Bereichs von elementarem Kupfer (Cu).
Es kann gezeigt werden, dass vorzugsweise bei Anwesenheit von Sauerstoff und Wasser ein Oxidationsprozess von Kupfer (Cu) stattfindet.
4CuO + SO₂ + 3H₂O + 0,5 O₂ → CuSO₄ • 3Cu(OH)₂ Gleichung 3
Gleichung 3 zeigt das Bilden von kaustischem Kupfer bei Vorhandensein von Schwefeldioxid (SO₂), Wasser und Sauerstoff. Kaustisches Kupfer besitzt eine gute Lösbarkeit in Wasser. Daher entfernt die Reaktion nach Gleichung 3 die Kupferoxid-(CuO)-Schutzschicht und kann zu einer weiteren Reaktion der Kupferschicht führen. In ähnlicher Weise kann ein Carbonat des Kupfers bei Anwesenheit von Feuchtigkeit, Sauerstoff und Kohlendioxid (CO₂) erzeugt werden.
In der vorliegenden Erfindung erkennen die Erfinder die Wichtigkeit zur Minimierung der Menge von Sauerstoff und/oder der Menge von Schwefeldioxid und/oder der Menge von Feuchtigkeit während Prozessschritte, die das Hantieren von Substraten mit freigelegtem Metallbereichen und insbesondere mit freigelegten Kupferbereichen beinhalten. Wie zuvor erläutert ist, erzeugen die Prozesse, die bei der chemisch-mechanischen Polierung von Substraten beteiligt sind, Umgebungsbedingungen für das Substrat, die die Oxidation von Metalloberflächen fördern. Die vorliegende Erfindung beruht daher auf dem Konzept, zumindest lokal eine Umgebung für ein Substrat zu schalten, das einer Prozesssequenz unterzogen wird, die das Kontaktieren einer freigelegten Metalloberfläche mit Wasser enthaltenden Lösungen erforderlich macht, in der die Menge an Schwefeldioxid und/oder Sauerstoff deutlich reduziert ist, um damit das Gleichgewicht in Gleichung 3 in Richtung des Kupferoxids (linke Seite) zu verschieben und um die Kupferoxidation gemäß den Gleichungen 1, 1a und 2 zu verringern. Dies kann erreicht werden, indem eine im Wesentlichen inerte Atmosphäre um das zu bearbeitende Substrat herum bereitgestellt wird, d.h. der Partialdruck von Sauerstoff und/oder Schwefeldioxid wird im Vergleich zu der Umgebungsatmosphäre auf einen deutlich verringerten Wert eingestellt, indem im Wesentlichen inerte Gase, etwa Stickstoff, Argon und dergleichen der Prozessanlage oder zumindest relevanten Bereichen der Prozessanlage zugeführt werden.
2 zeigt eine anschauliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die nunmehr detailliert beschrieben wird.
Eine Prozessanlage 200 umfasst eine CMP-Station 210 und eine Inertgaszufuhr 220. Die CMP-Station 210 umfasst einen Polierteller 211 mit einem darauf angebrachten Polierkissen 212. Ein Polierkopf 213 ist so ausgebildet, um ein zu polierendes Substrat 214 aufzunehmen. Da andere Komponenten der CMP-Station nicht für das Verständnis der vorliegenden Erfindung relevant sind, werden weitere Details der CMP-Station 210 in 2 nicht dargestellt und diese werden auch nicht beschrieben. Die CMP-Station 210 umfasst ferner eine Abdeckung 215, die im Wesentlichen das Polierkissen 212 umschließt, um somit ein inneres Volumen 216 zu definieren, das darin eine innere Gasatmosphäre enthält. Die Abdeckung 215 ist so ausgebildet; um im Wesentlichen einen Gasaustausch von dem inneren Volumen 216 zur Umgebungsatmosphäre, die die CMP-Station 210 umgibt, zu verhindern. Mit im Wesentlichen verhindern oder vermei den eines Gasaustausches von dem inneren Volumen 216 zu der Umgebungsatmosphäre ist gemeint, dass wenn die innere Gasatmosphäre mit einer vordefinierten Zusammensetzung in dem inneren Volumen 216 erzeugt ist, eine Mischung mit der Umgebungsatmosphäre eine Zeitdauer in der Größenordnung von Minuten erfordert, ohne dass kontinuierliches Erzeugen die innere Gasatmosphäre erneuert wird. Somit muss die Abdeckung 215 nicht notwendigerweise so gestaltet sein, um die CMP-Station 210 vollständig gegenüber der Umgebungsatmosphäre abzudichten, sondern diese kann so gestaltet sein, um dem Gasaustausch mit der Umgebungsatmosphäre deutlich zu verzögern. Das heißt, die Abdeckung 215 kann so ausgestaltet sein, um die CMP-Station "lose" zu umgeben, ohne dass Dichtungen erforderlich sind, wobei beispielsweise Stickstoff zugeführt wird, um kontinuierlich die "Leck-"Rate zu kompensieren. In anderen Fällen können Öffnungen in der Abdeckung 215 ausgebildet sein, wobei der ständig zugeführte Stickstoff einen geringen Überdruck innerhalb der Abdeckung 215 erzeugt und der permanente Strom an Stickstoff im Wesentlichen ein Eindringen natürlicher Gase der Umgebungsatmosphäre in das innere Volumen 216 verhindert.
Das Gaszufuhrsystem 220 umfasst eine Zufuhrleitung 221, wovon ein Ende mit dem inneren Volumen 216 in Fluidverbindung steht, und wovon das andere Ende mit einer Inertgasquelle 222 verbunden ist. Das Gaszufuhrsystem 220 kann ferner eine Auslassleitung 223 aufweisen.
Während des Betriebs kann das Substrat 214 auf den Polierkopf 213 aufgebracht werden, wobei die Abdeckung 215 entfernbar sein kann oder mit einer Öffnung (nicht gezeigt) ausgestattet sein kann, durch die das Substrat 214 auf die CMP-Station 210 übergeführt wird. Anschließend wird ein Inertgas zu der CMP-Station 210 mittels der Zufuhrleitung 221 zugeführt, um eine im Wesentlichen inerte Gasatmosphäre in dem inneren Volumen 216 zu erzeugen. Abhängig von dem Grad der Gasleckrate durch die Abdeckung 215 hindurch kann es notwendig sein, Gas durch die Auslassleitung 223 abzuführen, während das Inertgas durch die Zufuhrleitung 221 zugeführt wird_: Beim Polieren des Substrats 214 mit den in der Schleifmittellösung enthaltenen Chemikalien kann, wie dies zuvor erläutert ist, die deutliche Reduzierung des Sauerstoffs und/oder des Schwefeldioxids im Vergleich zu konventionellen CMP-Stationen, die in einer "offenen" Atmosphäre betrieben werden, zu einer reduzierten Wahrscheinlichkeit für die Korrosion von Metalloberflächen führen, insbesondere nach Abschluss eines Polierschrittes oder eines Polierteilschrittes, wenn der Polierkopf 213 zum Entfernen des Substrats von dem Polierkissen 212 angehoben wird.
3 zeigt schematisch eine Prozessanlage 300 mit einer CMP-Station 310, einer Spülstation 330, einer Trockenstation 350, einer Aufbewahrungsstation 370 und mehreren Transportmodulen 360. Die Prozessanlage 300 ist somit so ausgestaltet, um eine mit dem CMP verknüpfte Prozesssequenz auszuführen, wobei die Anordnung der einzelnen Prozessstationen und Module lediglich in einer sehr vereinfachten Weise dargestellt ist, um die diversen Prozessschritte einer tatsächlichen CMP-Prozesssequenz zu illustrieren. In tatsächlichen CMP-Prozessen können zwei oder mehrere Polierteilschritte mit unterschiedlichen Schleifmittellösungen mit dazwischen eingeschobenen Reinigungs- und Spülschritten erforderlich sein, wobei nach Abschluss dieser diversen CMP-Schritte weitere Reinigungs- und Spülprozesse, die möglicherweise das zeitweilige Aufbewahren der Substrate in einer Aufbewahrungsstation, etwa der Station 370, die möglicherweise einen Wassertank mit einschließt, beinhalten und anschließend das Trocken der Substrate, beispielsweise in der Trockenstation 350, ausgeführt werden. Daher ist die Prozessanlage 300 so aufzufassen, um beispielhaft die Vielzahl der Prozessstationen und der damit verknüpften Transportmodule darzustellen, die für eine komplexe CMP-Prozesssequenz in einer Produktionslinie für moderne integrierte Schaltungen erforderlich sind.
Die Prozessanlage 300 kann ferner einen oder mehrere Tankbehälter (nicht gezeigt) mit diversen chemischen Mitteln, die zum Betreiben der CMP-Station 310 verwendet werden, aufweisen. Ferner ist eine Abdeckung 301 vorgesehen, um ein inneres Volumen 302 zu definieren, wobei eine Vielzahl von Prallelementen 303 vorgesehen sein kann, um das innere Volumen 302 in eine Vielzahl von Segmenten mit reduziertem Gasaustausch zwischen benachbarten Segmenten zu unterteilen. Mehrere Zufuhrleitungen 304 und eine oder mehrere Auslassleitungen 305 können vorgesehen sein, wobei die Zufuhrleitungen 304 mit einer Inertgasquelle (nicht gezeigt) verbunden sind, die ein einfacher unter Druck stehender Gastank sein kann, oder die ein chemisches System sein kann, das so ausgebildet ist, um von der Auslassleitung 305 geliefertes Abgas aufzubereiten.
Während des Betriebs wird ein inertes Gas, etwa Stickstoff, Argon oder andere Edelgase und dergleichen, dem inneren Volumen 302 zugeführt, um eine im Wesentlichen inerte Gasatmosphäre zu erzeugen, wodurch die Menge an Sauerstoff und/oder Schwefeldioxid, mit der ein Substrat, das von den diversen Prozessstationen und Transportmodulen prozessiert wird, in Kontakt gerät, zu reduzieren. Wenn beispielsweise das Substrat, das von der CMP-Station 310 bearbeitet ist, zu der Spülstation 330 transportiert wird, ist der Kontakt mit Sauerstoff und/oder Schwefeldioxid deutlich reduziert und somit wird die Korrosion der freigelegten Metalloberfläche deutlich verringert oder möglicherweise vollständig vermieden. Wenn ferner das Substrat zeitweise in der Aufbewahrungsstation 370, die beispielsweise ultra-reines Wasser enthält, gelagert wird, wird eine Inertgasatmosphäre über der Wasseroberfläche errichtet, so dass das Substrat beim Einladen oder Ausladen in und aus der Aufbewahrungsstation 370 im Wesentlichen nicht mit Sauerstoff und/oder Schwefeldioxid in Kontakt gerät. Des Weiteren löst sich mittels der im Wesentlichen inerten Gasatmosphäre über der Wasseroberfläche Sauerstoff und/oder Schwefeldioxid nicht in dem ultra-reinen Wasser oder diese werden von dem ultra-reinen Wasser aufgrund des äußerst geringen Partialdruckes von Sauerstoff und Schwefeldioxid entfernt. Das gleiche gilt für einen beliebigen Tank mit Chemikalien, der in der Prozessanlage 300 enthalten ist. Anzumerken ist, dass ultra-reines Wasser, wie dies üblicherweise auf dem Gebiet der Halbleiterproduktion verstanden wird, ein sterilisiertes entgastes deionisiertes Wasser bezeichnet, wobei organische Verunreinigungen im Wesentlichen entfernt sind.
Da die gesamte mit dem CMP in Verbindung stehende Prozesssequenz einschließlich des Substrattransports in der im Wesentlichen inerten Gasatmosphäre des inneren Volumens 302 ausgeführt wird, ist der Korrosionsvorgang deutlich verlangsamt, wie dies zuvor mit Bezug zu 1 erläutert ist.
4a–4d zeigen schematisch relevante Bereiche einer CMP-Station 400 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
In 4a ist ein Polierteller 411 mit einem darauf angebrachten Polierkissen 412 benachbart zu einem Gaszufuhrsystem 420 mit einer Inertgasquelle 432, einer Zufuhrleitung 421 und einem Gasstromverteilungselement 423 angeordnet. Ein Polierkopf 413 ist bewegbar auf dem Polierkissen 412 angeordnet und ist so ausgebildet, um das Substrat 414 zu und von dem Polierkissen 412 zu transportieren bzw. abzutransportieren und um das Substrat 414 während des Polierens zu halten.
Während des Betriebs liefert das Gaszufuhrsystem 420 einen Strom eines inerten Gases über das Gasverteilungselement 423 – in gewissen Fällen ständig -, so dass ein das Polierkissen 412 und den Polierkopf 413, und damit das Substrat 414 umgebender Bereich mit den Inertgasstrom in Kontakt ist. Daher ist die Sauerstoffkonzentration und/oder eine Schwefeldioxidkonzentration bei der Handhabung und der Bearbeitung des Substrats 414 deutlich reduziert. Vorzugsweise kann die Menge des dem Substrat 414 während dessen Bearbeitung und Hantierung zugeführten inerten Gases eingestellt werden, indem beispielsweise die Durchflussrate in der Zufuhrleitung 421 gesteuert wird, so dass die Sauerstoffkonzentration und die Schwefeldioxidkonzentration während der Hantierung des Substrats auf einen gewünschten Wert reduziert ist. Geeignete Einrichtungen zum Bereitstellen des Stroms aus Inertgas und zum Regulieren einer Durchflussrate sind im Stand der Technik gut bekannt; dazu zählen beliebige Arten geeignet geformter Öffnungen, Düsen und dergleichen sowie Proportionalventile in Verbindung mit einer unter Druck stehenden Gasquelle 422. Ferner kann die Größe und die Form des Gasstromverteilungselements 423 so gewählt sein, um den Strom aus Inertgas mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Beispielsweise kann das Gasstromverteilungselement 423 ein Array aus Düsen aufweisen, die so angeordnet sind, um das inerte Gas über den gesamten Polierteller 411 hinweg bereitzustellen. Des Weiteren kann die Lage des Gasstromverteilungselements 423 in einer beliebigen geeigneten Weise gewählt werden. Beispielsweise kann das Gasstromverteilungselement 423 über dem Polierteller 411 angeordnet werden.
4b zeigt schematisch eine weitere anschauliche Ausführungsform, in der die CMP-Station 400 ferner eine Düse 424 aufweist, die so ausgebildet und positioniert ist, um einen Strom aus Inertgas zu einem spezifizierten Teil des Polierkissens 412 zuzuführen. Dies ermöglicht die wahlfreie Zuführung eines Stroms aus Inertgas zu relevanten Bereichen der CMP-Station 400. Beispielsweise kann die Düse 424 so positioniert sein, um den Strom aus Inertgas bereitzustellen, wenn das Substrat 414 auf den Polierkopf 413 aufgebracht oder von diesem entfernt wird, um einen Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre im Wesentlichen zu vermeiden.
4c zeigt schematisch eine weitere anschauliche Ausführungsform, wobei der Polierkopf 413 ferner eine Gaszufuhrverteilung 425 mit Gaszufuhrdüsen 426 aufweist, die ausgebildet sind, um Gasströme 427 bereitzustellen. Die Gaszufuhrverteilung 425 kann mit einem inerten Gas mittels einer der Zufuhrleitungen, die in dem Polierkopf 413 vorgesehen sind, beschickt werden. Die Verteilung 425 kann eine beliebige geeignete Form und Größe aufweisen. In einer Ausführungsform kann die Verteilung zumindest teilweise eine ringförmige Anordnung aufweisen.
Somit erfährt während des Betriebs das Substrat 414 eine Atmosphäre mit reduziertem Sauerstoff und/oder Schwefeldioxidgehalt und die Korrosion freigelegter Metalloberflächen kann verringert werden. Die inerte Gasatmosphäre, die das Substrat 414 umgibt, kann die Oxidation freigelegter Metalloberflächen, insbesondere nach Beendigung des CMP-Prozesses, wenn das Substrat 414 von dem Polierkissen 412 angehoben wird und die wasserenthaltende Schleifmittellösung noch einen dünnen Film auf der polierten Oberfläche bildet, verringern oder möglicherweise gänzlich vermeiden.
4d zeigt schematisch eine weitere anschauliche Ausführungsform, in der der Polierkopf 413 einen bewegbaren Düsenring 428 mit Düsen 429 umfasst, die ausgebildet sind, einen Gasstrahl nach innen bezüglich des Polierkopfs 413 bereitzustellen. Der Düsenring 428 ist vertikal beweglich von einem Hebel 432 gehalten und eine flexible Zufuhrleitung 431 ist mit dem Polierkopf 413 und dem Düsenring 428 verbunden, um inertes Gas zuzuführen.
Beim Betrieb kann der Polierkopf 413 angehoben werden, um das Substrat 414 anzuheben, wobei der Düsenring 428 sich auf eine untere Position, beispielsweise einfach durch Schwerkraft oder durch ein anderes geeignetes Betätigungsmittel, das im Stand der Technik gut bekannt ist, bewegt, um einen Strom aus Inertgas nach innen gerichtet zu liefern, während das Substrat 414 von dem Polierkopf 413 aufgenommen wird. Beim Absenken des Polierkopfes 413 auf das Polierkissen 412 wird der Düsenring 428 nach oben gedrückt oder kann durch ein, geeignetes Stellglied in eine obere Position (relativ zu dem Polierkopf 413) gebracht werden, so dass der Düsenring 428 im Wesentlichen bündig oder über dem Polierkissen 412 ist und den Betrieb des Polierkopfes 413 nicht nachteilig beeinflusst.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Düsenring 428 vorteilhafterweise als ein sogenanntes Kissenkonditionierelement verwendet werden. Dazu kann der Düsenring 428 eine Konditionieroberfläche 433. aufweisen, die aus einem geeigneten Material hergestellt ist und eine Oberflächenbeschaffenheit aufweist, die das Konditionieren des Polierkissens 412 ermöglicht. Während des Polierens des Substrats 414 kann der Strom des Inertgases aus den Düsen 429 unterbrochen oder beibehalten werden, abhängig von den Prozesserfordernissen. Nach Beendigung des CMP-Vorganges, wenn der Polierkopf 413 angehoben wird, bewegt sich der Düsenring 428 in die untere Position und liefert eine im Wesentlichen inerte Gasatmosphäre an der Oberfläche des Substrats 414, das noch mit einer dünnen Schicht aus Schleifmittellösung bedeckt ist. In einer Ausführungsform können die Düsen 429 lediglich über einen Teil des Düsenrings 428, beispielsweise über eine Hälfte des Düsenrings 428, vorgesehen sein, um somit eine im Wesentlichen laminare Strömung entlang der Oberfläche des Substrats 414 während des Be- und Entladens zu erzeugen. In ähnlicher Weise kann die Anzahl und die Größe der Düsen 429 in beliebiger Weise gewählt werden, sofern die Substratoberfläche in ausreichender Weise durch den Inertgasstrom gespült wird. Somit kann es in einigen Ausführungsformen ausreichend sein, lediglich eine Düse 429 vorzusehen.
Anzumerken ist, dass die mit Bezug zu den 4a–4d beschriebenen Ausführungsformen in beliebiger Kombination anwendbar sind und auch in Kombination mit den Ausführungsformen, wie sie mit Bezug zu den 2 und 3 beschrieben sind, verwendbar sind.
Abschließend kann gesagt werden, dass die vorliegende Erfindung es ermöglicht, eine Atmosphäre um ein Substrat herum während einer CMP-bezogenen Prozesssequenz zu errichten, derart, dass der Partialdruck an Sauerstoff und/oder Schwefeldioxid und/oder anderen natürlichen Gasen deutlich reduziert ist, so dass die Wahrscheinlichkeit einer nachteiligen chemischen Reaktion mit freigelegten Metalloberflächen eingeschränkt ist, wodurch es möglich ist, den Durchsatz und die Zuverlässigkeit des Herstellungsprozesses zu verbessern. Des weiteren soll die vorliegende Erfindung alle Arten von Prozessanlangen, die in einem CMP-Prozess beteiligt sind, mit einschließen, unabhängig davon, ob derartige Anlagen Einzelanlagen sind oder als integrierte Einheiten zur Vereinigung mehrerer Prozessschritte vorgesehen sind.
Weitere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese Beschreibung lediglich als anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.

Claims

Prozessanlage zum Behandeln eines Substrats mit einer freigelegten Metalloberfläche, mit: einer CMP-Station; und einer Abdeckung, die die CMP-Station umschließt, um ein inneres Volumen mit einer inneren Gasatmosphäre zu definieren, wobei die Abdeckung so ausgebildet ist, um im Wesentlichen einen Gasaustausch mit einer Umgebungsatmosphäre zu verhindern.
Die Prozessanlage nach Anspruch 1, die ferner ein Gaszufuhrsystem aufweist, das ausgebildet ist, ein inertes Gas in das innere Volumen einzuführen, um eine im Wesentlichen inerte Gasatmosphäre in dem inneren Volumen zu erzeugen.
Die Prozessanlage nach Anspruch 1, die ferner ein Transportmodul und/oder eine Spülstation und/oder eine Trockenstation und/oder eine Substrataufbewahrungsstation und/oder einen Chemikalienaufbewahrungstank umfasst.
Die Prozessanlage nach Anspruch 2, wobei das inerte Gas Stickstoff und/oder ein Edelgas aufweist.
Die Prozessanlage nach Anspruch 2, wobei das Gaszufuhrsystem mehrere Einlassleitungen aufweist, um das inerte Gas zu mindestens einer spezifizierten Stelle in dem inneren Volumen zuzuführen.
Die Prozessanlage nach Anspruch 3, wobei die Abdeckung so ausgestaltet ist, um das innere Volumen in mehrere Segmente zu unterteilen, wobei ein Gasaustausch zwischen benachbarten Volumensegmenten eingeschränkt ist.
Die Prozessanlage nach Anspruch 2, wobei das Gaszufuhrsystem so ausgestaltet ist, um einen kontinuierlichen Inertgasstrom zumindest in einem Teil der Prozessanlage zu errichten.
Die Prozessanlage nach Anspruch 7, wobei die CMP-Station ein Polierkissen und einen Polierkopf umfasst, und wobei das Gaszufuhrsystem ein Gasverteilungssystem umfasst, das so ausgestaltet ist, um den kontinuierlichen Inertgasstrom an dem Polierkissen und dem Polierkopf bereitzustellen.
Die Prozessanlage nach Anspruch 7, wobei die CMP-Station ein Polierkissen und einen Polierkopf umfasst, und wobei das Gaszufuhrsystem eine Gasdüse aufweist, die ausgestaltet und so angeordnet ist, um den kontinuierlichen Inertgasstrom in einem spezifizierten Bereich des Polierkissens bereitzustellen.
Die Prozessanlage nach Anspruch 1, wobei die CMP-Station einen Polierkopf mit einem Düsenrand aufweist, der mindestens eine Düse zum Bereitstellen eines Stromes aus inertem Gas aufweist.
Die Prozessanlage nach Anspruch 1, wobei die CMP-Station einen Polierkopf mit einem Düsenelement aufweist, das beweglich an einem Rand des Polierkopfes angebracht ist, wobei das Düsenelement von einer ersten Position in eine zweite Position bewegbar ist, und wobei das Düsenelement so ausgebildet ist, um in der zweiten Position einen Inertgasstrom zu einem Substrataufnahmebereich des Polierkopfs zu führen.
Die Prozessanlage nach Anspruch 11, wobei das Düsenelement eine konditionierende Oberfläche aufweist, die das Konditionieren eines Polierkissens ermöglicht, wenn das Düsenelement in der zweiten Position ist.
Prozessanlage mit: einer CMP-Station, und/oder einer Spülstation und/oder einer Trockenstation und/oder einer Aufbewahrungsstation und/oder einem Vorratstank für Chemikalien; und einem Gaszufuhrsystem, das ausgestaltet ist, einen Strom inerten Gases zu der CMP-Station und/oder der Spülstation und/oder der Trockenstation und/oder der Aufbewahrungsstation und/oder dem Vorratstank für Chemikalien zuzuführen.
Die Prozessanlage nach Anspruch 13, wobei das Gaszufuhrsystem eine Inertgasquelle mit Stickstoff und/oder einem Edelgas aufweist.
Die Prozessanlage nach Anspruch 13, die ferner ein Polierkissen und einen Polierkopf umfasst, wobei das Gaszufuhrsystem ferner ein Gasverteilungselement aufweist, das ausgebildet ist, den Strom aus Inertgas an dem Polierkissen und dem Polierkopf bereitzustellen.
Die Prozessanlage nach Anspruch 13, die ferner ein Polierkissen und einen Polierkopf umfasst, wobei das Gaszufuhrsystem ferner ein Düsenelement aufweist, das ausgebildet und so angeordnet ist, um den Strom aus Inertgas zu einem spezifizierten Bereich des Polierkissens zuzuführen.
Die Prozessanlage nach Anspruch 13, die ferner ein Polierkissen und einen Polierkopf umfasst, wobei das Gaszufuhrsystem mit dem Polierkopf verbunden ist und einen Düsenrand mit mindestens einem Düsenelement zur Bereitstellung eines Stromes aus Inertgas aufweist.
Die Prozessanlage nach Anspruch 13, die ferner ein Polierkissen und einen Polierkopf umfasst, wobei der Polierkopf ein Düsenelement aufweist, das bewegbar an dem Polierkopf angebracht und funktionsmäßig mit dem Gaszufuhrsystem verbunden ist, wobei das Düsenelement von einer ersten Position in eine zweite Position bewegbar ist und das Düsenelement ausgebildet und so angeordnet ist, um einen Strom aus inertem Gas zu einem Substrataufnahmebereich des Polierkopfes in der zweiten Position zuzuführen.
Die Prozessanlage nach Anspruch 18, wobei das Düsenelement mehrere Düsen aufweist, die entlang mindestens eines Teils eines Randes des Polierkopfs angeordnet sind.
Die Prozessanlage nach Anspruch 18, wobei das Düsenelement eine konditionierende Oberfläche aufweist, die das Konditionieren des Polierkissens ermöglicht, wenn das Düsenelement sich in der zweiten Position befindet.
Die Prozessanlage nach Anspruch 13, die ferner eine Abdeckung aufweist, die ein inneres Volumen definiert und so ausgebildet ist, um einen Gasaustausch von dem inneren Volumen mit einer Umgebungsatmosphäre zu verringern.
Die Prozessanlage nach Anspruch 20, die ferner mindestens ein Transportmodul umfasst.
Die Prozessanlage nach Anspruch 21, wobei die Abdeckung so ausgebildet ist, um das innere Volumen in mindestens ein erstes Segment entsprechend zu dem Transportmodul und in ein zweites Segment zu unterteilen, wobei ein Gasaustausch zwischen dem ersten Segment und dem zweiten Segment reduziert ist.
Die Prozessanlage nach Anspruch 22, wobei das Gaszufuhrsystem eine erste Zufuhrleitung und eine zweite Zufuhrleitung aufweist, um das inerte Gas jeweils zu den ersten und zweiten Segmenten zuzuführen.
Verfahren zum Bearbeiten eines Substrats während einer Prozesssequenz einschließlich des chemisch-mechanischen Polierens des Substrats, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Prozessanlage für einen CMP-bezogenen Prozessschritt; und Errichten einer Gasatmosphäre, die das Substrat umgibt, wobei die Gasatmosphäre eine geringere Sauerstoffkonzentration als eine Umgebungsatmosphäre, die die Prozessanlage umgibt, aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Errichten der Gasatmosphäre das Zuführen eines inerten Gases zu dem Substrat umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 26, wobei das inerte Gas Stickstoff und/oder ein Edelgas aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Errichten der Gasatmosphäre Definieren eines inneren Volumens durch Bereitstellung einer Abdeckung, die die Prozessanlage umgibt und die einen Gasaustausch der Gasatmosphäre mit der Umgebungsatmosphäre reduziert, umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Prozessanlage ein Polierrkissen und einen Polierkopf aufweist, und wobei Errichten der Gasatmosphäre das Zuführen eines Gasstromes aus inertem Gas zu mindestens einem Teil des Polierkissens umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Prozessanlage eine Spülstation umfasst und wobei Errichten der Gasatmosphäre das Zuführen eines Stromes aus inertem Gas zu dem Substrat während des Spülens des Substrats umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 29, wobei Errichten der Gasatmosphäre Bereitstellen einer Abdeckung umfasst, um ein inneres Volumen zu definieren und um inertes Gas zu dem inneren Volumen zuzuführen.
Das Verfahren nach Anspruch 25,. wobei die Prozessanlage eine Substrataufbewahrungsstation ist und das Errichten der Gasatmosphäre das Zuführen eines Stromes aus inertem Gas zu dem Substrat umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Aufbewahrungsstation ein Reinwasserreservoir aufweist und das Errichten der Gasatmosphäre das Zuführen inerten Gases über dem Reinwasserreservoir umfasst.
Das Verfahren nach Ansprach 25, wobei die Prozessanlage einen Chemikalienaufbewahrungstank ist und Errichten der Gasatmosphäre Bereitstellen einer inerten Gasatmosphäre in dem Chemikalienaufbewahrungstank umfasst.